液晶显示器工作原理.docx

FR：任中奎液晶显示原理1. 什么是液晶显示器件1.1. 液晶显示器件的优点液晶显示器件已经历了三代第一代用于计 算器、手表；第二代用于翻译机、游戏机，家电 设备、测试仪器；第三代用于高级信息社会的各 种办公室自动化设备、新型信息传递设备，即个 人电脑、文字处理机、移动、便携式彩色电 视机等液晶显示器是本世纪末最有发展活力的 电子产品之一，它的开发应用，大大扩展了信息 显示器的应用范围液晶显示的英文是 Liquid Crystal Display，人们常用LCD代表液晶显示器 件目前液晶显示器件与阴极射线管显示(CRT) 两大类产品，在显示上已形成互补、共同发展的 局面，在产业上LCD将与DRT并驾齐驱自从1968年5月美国RCA公司发明第一台液 晶显示装置以来，虽然仅仅经过 30 年的时间， 但液晶显示器件却得到了迅猛的发展认识液晶 显示器件的人可能很多，但了解液晶显示奥秘的 人却很少因为液晶分子具有固定的偶极矩，所以施加电 场可使液晶分子轴发生移动，于是液晶分子排列 就发生变化在某种显示模式中，液晶分子可能 发生不稳定的流动，这种不稳定的状态依赖于电 场的强度而变化结果将引起液晶盒内部的偏振 光的传输功的电光效应。

对于利用液晶的各种电 光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外 界条件的变化在一定条件下转换成可视信号就 可以制成显示器，这就是液晶显示器件信息显示技术随着信息社会的发展显示越来 越重要液晶显示器件与其他类型的显示器相比，具有很多优点：•平面型显示，体积小，重量轻，便于携带；•功耗低，驱动电压低，例如计算器工作电压2~5V,功耗为0.01mW/cm2左右，一块氧化银电池可以使用两三年；• 寿命长，一般在 5 万小时以上；• 不含有害射线等，故对人体无害，不易引起 人眼的疲劳；• 被动显示，不易被经光冲刷，外界光越强则 显示越清晰，可以明亮环境下显示；• 易于驱动，可用大规模集成电路直接驱动， 这也是其得到迅猛发展的原因；1.2.液晶显示器件的种类因电场、电流、加温的作用，使液晶分子的排 列状态及相均发生变化，在液晶相中光的干涉、 散射、衍射、旋光、选择散射、吸收等光学性质 的变化就成为液晶显示器件的工作原理所以液 晶显示的工作模式由外场、光学变化的种类、构 成器件的液晶相、介电各向异性排列状态等来分 类液晶的排列状态因液晶相的不同而差异很大 在向列相液晶的情况下，液晶分子的取向就有： ①与基板表面垂直排列取向；②成平行状态的平 行取向；③平行扭曲的扭曲取向；④与一个基板 表面垂直，而与另一个基板表面平行的混合取 向；⑤与基板表面成某个角度倾斜的预倾斜取向 等;⑥在胆甾相液晶和手性向列液晶的螺旋轴或 与基板表面正交的平面取向；⑦螺旋轴或与基板 表面平行或随机的焦锥取向；⑧近晶相液与向列 相液晶一样有垂直取向、平行取向和倾斜取向 等。

液晶显示器件按显示机理分有很多种，如动态 散射型(简称DSM)、扭曲向列型(TN)、电控双折 射(ECB)、宾主效应型(G-H)、相变存储型(PC)、 有源矩阵型(AM)、超扭曲向列型(STN)、铁电液晶(FLC)、聚合物分散型薄膜(PDLC )显示等利用电光效应制作的常用的液晶显示器大致 有以下几种：TN-LCD、STN-LCD、HTN-LCD、 FSTN-LCD、TFT-LCD 等TN-LCD 是 Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称，即扭曲向列相液晶显示这种 显示模式的特点是液晶分子基本平行于基板排 列，但上下液晶分子取向呈扭曲排列，整体扭曲 角为 90° TN-LCD 是人们发明较早的，也是应 用范围最广、数量最多的价格最便宜的液晶显示 器 TN-LCD 的制造工艺基本上已经成熟，目前 日本已完全淘汰了 TN-LCD 的生产线，他们把生 产转移到新加坡台湾、中国大陆等地区现在中 国成为 TN-LCD 的主要生产地区我们日常所见 的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是 TN-LCDSTN-LCD 是 Super Twist NematiC Liquid Crystal Display 的简称，即起扭曲向列相液晶显 示。

它与 TN-LCD 的结构相似，不同的是其扭曲 角不是 90°，而是 180°~270°之间虽然仅仅 是扭曲角不同，但它的工作原理与 TN-LCD 完全 不同STN-LCD是目前LCD生产的中档产品， 它具有比 TN-LCD 显示信息量大等特点，它主要 用于各种仪器仪表、汉显机、记事本、笔记本电 脑等 STN-LCD 的制造工艺基本成熟，国内也 已有很多家 STN-LCD 制造分司HTN-LCD 是 High Twist NematiC Liquid Crystal Display 和简称，即高扭曲向列相液晶显 示 HTN-LCD 与 TN-LCD 和 STN-LCD 的结构 相似，只不过 HTN-LCD 的扭曲角在 100° ~120°之间，介于 TN-LCD 和 STN-LCD 之间 HTN-LCD 目 前数量并不多， 其性能也介于TN-LCD 和 STN-LCD 之间FSTN-LCD 是 Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称，这里 Film 是批补偿膜或 迟膜，所以 FSTN-LCD 称为补偿膜超扭曲向列 液晶显示。

通过一层特殊处理的补偿膜，能够克 服 STN-LCD 的缺点，即克服 STN-LCD 有北景 色成为黑白显示，所有有大称 FSTN-LCD 为黑 白模式的 STN-LCD2. 扭曲向列相液晶显示2.1. 扭曲向列相液晶显示器的结构一般 TN 型液晶显示器结构如图所示：偏光片玻璃电极封接框玻璃偏光片取向层反射片从图中可以看出，液晶显示器是一个由上下两 片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有正性液晶， 四周用密封材料（一般为环氧树脂）密封，盒的两 个外侧贴有偏光片液晶盒中上下玻璃片之间的 间隔，即通常所说的盒厚，一般为几个微米 （人 的头发直径为几十微米 ）上下玻璃片内侧，对 应显示图形部分，镀有透明的氧化铟锡（简称 ITO） 导电薄膜，即显示电极电极的作用主要是使外 部电信号通过其加到液晶上去液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一 层有机物聚酰亚胺取向薄层，这个取向层经用无 绒斜纹棉布定向摩擦，在薄层上会形成数纳米宽 的细沟槽，从而会使长棒型的液晶分子沿沟槽平 躺下，因为只有这样才是较低能量状态在组装 液晶盒时，上基片的摩擦方向与下基片的磨擦方 向垂直，这样就能使两个玻璃片内表面处的液晶 分子的取向互相垂直。

在两个玻璃片之间，液晶 分子的取向（指向失）逐渐扭曲从上玻璃片到下玻璃片扭曲了 90°，这就是扭曲 向列相液晶显示器名称的由来实际上，靠近玻 璃表面的液晶分子并不完全平行于玻璃表面，而 是与其成一定的角度，这个角度秒为预倾角，一 般为 2°~3°这个预倾角限制联轴器上电压后 液晶分子的倾斜方向一般还要加入很少量的手 征性材料（例如胆甾醇壬酸脂），来控制液晶分子 只沿一个方向扭曲，如果不作适当的预倾斜的预 扭曲处理，显示图像就会出现花斑，因为不同区 域的液晶分子会沿相反的方向取向而产生不同 的小畴区，从而引起反射光线因位置不同而异 只有事先创造一个具有预倾斜和预扭曲的各向 异性环境，才能使液晶盒内的分子沿既定方向扭 曲，加电场后沿需要的方向倾斜液晶盒中玻璃片的两个外侧贴有偏光片，这两 个偏光片的偏光轴互平行（黑底白字的常黑型）或 互相正交（白底黑字的白型），且与液晶盒表面定 向方向互相平行或垂直偏光片一般是将高分子 塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而而的 2.2.扭曲向列相液晶显示的工作原理在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间，夹入 厚约几个微米的具有正介电各向异性的向列相 液晶（简称 Np 液晶），做成使液晶分子长轴在上下 p两块基片之间连续扭曲90°扭曲（TN）排列盒。

由 于这种 TN 型排列盒的扭矩远远大于可见光波 长，所以垂直地入射到玻璃基片上线偏振光在通 过盒过程中，其偏振方向将沿着液晶分子扭曲方 向刚好旋转了 90°因此，这种 TN 盒具有如下 功能：即它在两块平行偏光片之间时，光线不能 通过；而放在两块垂直的偏光片之间时，光线就 可以通过偏光片有一个固定的偏光轴偏光片的作用是 只允许振动方向在其偏光轴方向相同的光通过， 而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸收这样，当自然光通过液晶盒的入射偏光片 (称为起 偏器)后，只剩下振动方向与起偏光轴相同的光 即成为线性偏振光偏振光经过液晶盒再经过偏 光片(称为检偏器)射出这样，光是否通过检偏 器，通过量的多少，取决于线性偏振光经过液晶 盒后的偏振状态，从而控制最后透过检偏器的光 状态来实现显示的然而，一旦对90°扭曲排列的液晶盒施加电压分子的则从就阈值电场压向U斜起是'液晶的电压Uth的2倍时，除了 电极近旁的分子以外，其他分子的长轴又都沿着平行于电场的方向重新排列， 从而导致90°旋光性的消失这种状态下，液晶盒在两块平行偏光片之间时， 光线能通过，而放在两块垂直偏光片之间时，光线就不能通过，与不施加电场 的情况完全相反。

如图.TN排列盒 TN排列盒1I ■' J」 I」 ］」入射光入射光偏光片 ..h偏光片 偏光片£ .，尸偏光片透射光— ， 光遮断液晶分子(a)无外加电压(U=0) (b)有外加电压(U>UtH3.超扭曲向列相液晶显示超扭曲向列相液晶显示器显示原理：扭曲向列相液晶器件的工作原理是基于液晶扭曲薄层的旋光性质这类器件表示了正交偏光片之间设置 TN 排列液晶盒 时的电光效应，在这种情况下，无外加电压时光 能透过，如图(a)，而在施加电压时光被遮断，如 图(b)但如果在平行偏光片之间设置TN排列液 晶盒，则光的透过与遮断关系就恰好与上述情形 相反这种TN效应已成为目前正在广泛普及的 TN 型液晶显示元件的工作原理并获行实际应 用，可以用于实现白色背景上黑色图案或者黑色 上白色图案的显示 的阈值特性不够好，使得多路寻址的行数受到限 制然而，如果利用扭曲液晶层的双折射性质来 控制光线在层内的传播，可以大大突破上述限 制在高多路寻址应用中不能依靠改变液晶材料 的参量来增加 TN 显示的电光曲线的陡度，以提 供可接受的对比与视角然而，通过计算机模拟， 已经认识到，将层的扭曲角从 90°增加到 180° ~270°，就可以大大提高电致畸变曲线的陡峭程 度，甚至到无限大。

在大信息量的应用中，要达 到高对比度、直接多路显示，并有双态或多灰度， 其前提条件是电致畸变曲线很陡峭层扭曲角对 于电致畸变曲线形状的显著影响扭角的取值从 90°到 360°曲线的陡峭程度随着扭曲的增加 而增加，直到某一临界扭角©~270°，曲线中 央部分的斜率达到无限大在更大扭角下，曲线 变成双值，形成了一个双稳态与迟滞性区域为了维持扭角大于 90°，需要使向列相液晶 具有本征的扭曲结构，称作手性向列相手性向 列相是掺杂有百分之几旋光材料的寻常向列相 液晶掺杂分子的左旋或右旋性赋予整个向列相 结构一内在的宏观扭曲扭曲量用螺距长宽 p 来 表示，它是当指向矢旋转 360°时，沿螺旋轴的 距离当手性向列相液晶真充入盒中时，在上下 基片处，指向矢将沿排列方向固定，从而使螺距 长度比本征值伸长或缩短因为螺距与掺杂浓度 成反比，所以混合物的螺距易于调节的适合于不 同厚度d的液晶盒层厚与螺距之比d/p满足条 件d/p=e /2n这个条件使得液晶的本征螺距恰 好等于由零预倾角液晶盒的厚度与排列方向所 确定的螺距。